(57)【要約】【課題】目的は軽量かつ高強度で、周囲の温度環境に対して光学特性の安定した衛星搭載用反射望遠鏡を提供すること。構成部材をすべて同一の素材で構成した場合、全部材が同じ温度であれば、熱に対して光学特性は安定であるが、実際の環境では副鏡の温度が高くなりやすい。本発明はこの課題を解決するためのものである。【解決手段】凹面である主鏡と凸面である副鏡が対向して設置され、主鏡と副鏡がそれぞれベースプレートを介して支柱で取り付けられ、主鏡中央の開口部から主鏡裏側に光束を取り出す反射望遠鏡において、副鏡とそのベースプレートとの間を熱膨張補償用部材で結合し、当該部材の熱膨張による膨張方向を反射望遠鏡の光軸の方向と一致させた。また各部材を炭素繊維強化炭素基材の一部を炭化珪素化処理してなる炭素繊維強化炭化珪素基材で構成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主鏡ベースプレートに固定された主鏡と、副鏡ベースプレートに固定された副鏡と、前記主鏡と前記副鏡とを対向配置し光軸を同じく維持して固定するための支柱とを備えた反射望遠鏡において、前記副鏡と前記副鏡ベースプレートとの間隔が前記光軸を一定に保ったまま可変することを特徴とする反射望遠鏡。
【請求項２】
前記主鏡と、前記副鏡と、前記主鏡ベースプレートと、前記副鏡ベースプレートと、前記支柱とが同一素材からなることを特徴とする請求項１記載の反射望遠鏡。
【請求項３】
前記副鏡と前記副鏡ベースプレートとの間に熱膨張収縮部材からなる副鏡保持部を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか一つに記載の反射望遠鏡。
【請求項４】
前記副鏡と前記副鏡ベースプレートとの間隔が、熱膨張による前記副鏡の焦点位置の変動を打ち消すように可変することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載の反射望遠鏡。
【請求項５】
前記副鏡保持部が複数の円柱からなることを特徴とする請求項３または請求項４のいずれか一つに記載の反射望遠鏡。
【請求項６】
前記副鏡保持部が金属からなることを特徴とする請求項３または請求項５のいずれか一つに記載の反射望遠鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、人工衛星等の移動体に搭載するのに適した、主鏡と副鏡が対向して設置され、主鏡中央の開口部から鏡面裏側に光束を取り出す方式の反射望遠鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の反射望遠鏡は、主鏡ベースプレートに取り付けられた凹面鏡である主鏡の光軸上前方に、支柱で支えられた副鏡ベースプレートに直接取り付く形で凸面鏡である副鏡が対向配置している。さらに、主鏡の中央部には主鏡中央開口部が設けられ、外部の温度変化の影響を抑えるために光を取り込む側に鏡筒開口部が設けられた鏡筒に納められている。
【０００３】
この従来の反射望遠鏡における対向配置した主鏡と副鏡とを複数の支柱で結合したミラー光学装置（カセグレイン型のミラー光学装置）は、周囲の温度、湿度等の環境変化に影響されずに又経時変化が少なく、更に運搬等の際の振動や衝撃等に十分耐え得る程度の機構を設けることで全体の軽量化及び耐振動や耐衝撃に強い構造を有することを目的に、主鏡と副鏡そして支柱を同一材質の部材より構成したものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、他の従来の反射望遠鏡における反射ミラーは、光軸のずれや焦点のずれを押さえる為、周囲の温度、湿度等の環境変化に影響されずに又経時変化が少なく、更に運搬等の際の振動や衝撃等に十分耐え得ることを目的に、反射ミラーに光源からの光を照射した際の熱によって生じる反射ミラーの熱変形に対して、反射ミラー内に熱変形を打ち消す、逆の変形を生じさせる自己補償機構を設けたものがある（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−２３９４４２号公報（第２頁、請求項１）
【特許文献２】特開２００２−１００５５１号公報（第２頁、請求項１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１記載の従来の反射望遠鏡のミラー光学装置において、主鏡と副鏡そして支柱を同一材質の部材より構成した場合であっても、主鏡と副鏡そして支柱が同じ温度に保たれるとは限らない。
【０００７】
実際に、主鏡と支柱は鏡筒内部に完全に格納されて外部の環境から遮断されており、また衛星本体（図示省略）側に設置されているので冷却等の対策をとることも可能であるのに対し、副鏡は鏡筒開口部近くに設置されるので外部の温度環境を受けやすく、主鏡と支柱との間に温度差が生じる。副鏡の温度が高くなると熱膨張により凸面鏡の曲率が増加し、焦点位置が副鏡側の方向に移動して光学特性が劣化する。逆に副鏡の温度が低くなると、焦点位置が副鏡側と反対の方向に移動して光学特性が劣化するという問題があった。
【０００８】
また、特許文献２記載の従来の反射望遠鏡の反射ミラーにおいて、光電素子により光源から照射される光を電圧源に変換し、熱電素子を用いて照射光による熱を電圧源に変換し、または焦電素子を用いて基板温度変化を電圧源に変換することにより、これらの電圧源の電圧で圧電素子を駆動して、反射ミラーの熱変形を相殺している。しかし、このような圧電素子で反射ミラーを変形させる方法では、圧電素子で変形可能な柔軟性のある反射ミラーを使用せねばならず、人工衛星等の移動体に搭載するための十分な剛性が得られないという問題があった。
【０００９】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、外部の温度変化の影響を受けやすい環境にさらされる副鏡の熱膨張による焦点位置の変化を補正し、安定した光学特性を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係る反射望遠鏡は、主鏡ベースプレートに固定された主鏡と、副鏡ベースプレートに固定された副鏡と、前記主鏡と前記副鏡とを光軸を同じくして対向配置し固定するための支柱とを備えた反射望遠鏡において、前記副鏡と前記副鏡ベースプレートとの距離が前記光軸を一定に保ったまま可変するようにしたものである。
【発明の効果】
【００１１】
この発明に係る反射望遠鏡は、副鏡と副鏡ベースプレートとの間を熱膨張伸縮部材からなる副鏡保持部で結合し、熱膨張伸縮部材の熱膨張伸縮による膨張伸縮方向を反射望遠鏡の光軸の方向と一致させるように構成したので、副鏡の温度変化に対して焦点位置が一定に保たれ、十分な剛性を有し、焦点位置を自己補償する良好な光学特性を持つ反射望遠鏡が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態１における反射望遠鏡の構造を示す断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１における反射望遠鏡の副鏡近傍の構造を示す拡大図である。
【図３】カセグレン式反射望遠鏡の合成焦点距離を示した図（「天文アマチュアのための望遠鏡光学・反射編」  吉田正太郎著  誠文堂新光社）である。
【図４】この発明の実施の形態１における反射望遠鏡で主鏡の焦点距理ｆ１＝２１００ｍｍ、φ１０００ｍｍとし、副鏡の焦点距離ｆ２＝−３０００ｍｍ、φ４４０ｍｍとした場合の模式図である。
【図５】主な物質の熱膨張率を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における反射望遠鏡の構造を示す断面図である。図において、主鏡１は放物面より成り、その反射面には反射増加膜が施されている。主鏡１の光軸２を含む所定領域には主鏡中央開口部３が設けられており、主鏡中央開口部３には１組のコリメーターレンズ系を構成する第一レンズ４と第二レンズ５が挿設されている。主鏡１の背面には、主鏡１を保持する為の主鏡ベースプレート６が設けられている。
【００１４】
通常、主鏡ベースプレート６の一部には軽量化及び組立の作業性の効率化のため複数の孔部を設けている。また、一般的に主鏡ベースプレート６は主鏡１と同一材質又はスーパーインバー等の低膨張材料、セラミック、ＣＦＲＰをフェースプレートとするハニカム板等から成っている。
【００１５】
副鏡７は、反射面は凸球面又は双曲面より成り主鏡１に対向配置している。副鏡７の主鏡１との対向する反射面には反射増加膜が施されている。通常、副鏡７の裏面（主鏡１と反対側の面）には軽量化の為に複数の肉抜き孔が穿設されている。
【００１６】
副鏡保持部８は、副鏡７を保持する為の副鏡ベースプレート９に固定するとともに、熱による副鏡の焦点位置の変化と副鏡保持部８の熱膨張による副鏡の移動距離とが相殺されるように設定されている。ここでは、副鏡保持部８は、円柱形状で外周部に１２０度間隔で３つ設けられており、副鏡７と副鏡ベースプレート９とに固定されているが、その固定方法はネジ止め、溶接、接着またはその他間接的な方法による固定等特に問わない。
【００１７】
主鏡１及び副鏡７は、それぞれの外周部に１２０度間隔で３つ設けられた支柱１０により、焦点距離を一定に保つように固定され、外部の温度変化の影響を抑えるために光を取り込む側に鏡筒開口部１１が設けられた鏡筒１２に納められている。
【００１８】
尚、外部からの光信号は順に主鏡１、副鏡７、そしてコリメーターレンズ系を介して光送受信装置１３に導光されている。又、光送受信装置１３からの光信号は順にコリメーターレンズ系、副鏡７、そして主鏡１を介して相手方に送信している。
【００１９】
図２は、この発明の実施の形態１における反射望遠鏡の副鏡７近傍の構造を示す拡大図である。同一番号は同一部分を示し、既に図１で説明がなされているため、ここでは説明を省略する。また、図３は、カセグレン式反射望遠鏡の合成焦点距離を示した図（「天文アマチュアのための望遠鏡光学・反射編」  吉田正太郎著  誠文堂新光社より抜粋）である。これら、図１、図２及び図３を用いて、この発明の実施の形態１における反射望遠鏡の有する作用及び効果について具体的に説明する。
【００２０】
図３において、Ｍ１及びＭ２は、それぞれ主鏡１及び副鏡７に相当するものを示す。Ｆ及びＦ１は、それぞれ副鏡７及び主鏡１の焦点位置を示す。以下、主な記号として、ｆ１は主鏡１であるＭ１の焦点距離、ｆ２は副鏡７であるＭ２の焦点距離、ｄは主鏡１と副鏡７との鏡面間隔を示す。ここで、ｆは反射望遠鏡全系の合成焦点距離を示し、次式１で求められる。
【００２１】
ｆ＝ｆ１×ｆ２／（ｆ１＋ｆ２−ｄ）・・・（式１）
ただし、カセグレン式ではｆ１はプラス、ｆ２はマイナスである。その他の量は図３に示すとおりであり、ｇはいわゆる「引き出し量」である。上記式１は、主鏡と副鏡を組み合わせたカセグレン式反射望遠鏡の合成焦点距離を求めるための一つの指標を示す一例である。すなわち、主鏡と副鏡の焦点距離がわかっている場合に、所望の焦点距離を持つ反射望遠鏡を設計する上での参考となりうる。以下、副鏡の温度変化による焦点距離の変化に対する補正について、図１、図２及び図３を用いて、場合を分けて説明する。
【００２２】
副鏡７の温度が主鏡１の温度より高くなり熱膨張し、その曲率半径が増加した場合、その焦点位置が副鏡７側に移動する。つまり、何ら補正を施さない場合は、反射望遠鏡の合成焦点距離ｆは副鏡７側に移動し短くなる。そこで、熱膨張伸縮部材からなる副鏡保持部８が熱膨張し、副鏡７を主鏡１側の方向に光軸３を一定に保ちながら押し出し、定位置に固定されている副鏡ベースプレート９からの相対的な位置を変える。このとき、熱膨張伸縮部材の材質、寸法を副鏡７の焦点位置の変化を相殺するように設計することにより、焦点Ｆの位置が一定に保たれる。このような設計を行う上で、式１が参照例となりうる。もちろん、他の設計手法により、上記手段を実現することも可能であり、当業者であれば当然知りうる範囲の手法は多々あることは自明である。
【００２３】
一方、逆に副鏡７の温度が主鏡１の温度より低くなり熱収縮し、その曲率半径が減少した場合、焦点位置が副鏡７と反対側に移動する。つまり、何ら補正を施さない場合は、反射望遠鏡の合成焦点距離ｆは副鏡７側と反対側に移動し長くなる。そこで、熱膨張伸縮部材からなる副鏡保持部８が熱収縮し、副鏡７は主鏡１と逆方向に光軸３を一定に保ちながら引き寄せ、定位置に固定されている副鏡ベースプレート９からの相対的な位置を変える。このとき、熱膨張伸縮部材の材質、寸法を副鏡７の焦点位置の変化を相殺するように設計することにより、焦点Ｆの位置が一定に保たれる。このような設計を行う上で、式１が参照例となりうる。もちろん、他の設計手法により、上記手段を実現することも可能であり、当業者であれば当然知りうる範囲の手法は多々あることは自明である。
【００２４】
次に、この発明の実施の形態１における反射望遠鏡の構成部材に適した素材の条件を例示する。条件として、研削加工、研磨により優れた鏡面粗度を出せることが必要である。例えば、赤外線望遠鏡用の場合、表面粗さ５０ｎｍ（ナノメーター）以下の粗度であれば良い。また、ガラス、金属と比べ、軽くて、強く（壊れ難く）、大型化、軽量化が可能であり、衛星打ち上げ時の衝撃に耐えられる強度があることが必要である。また、温度変化（製造温度、使用環境温度など）による影響（歪、変形）を抑制するため、熱膨張係数が小さいことが必要である。
【００２５】
これらの条件を満たす素材の一例として、特開２００６−２７９７３号公報で開示されている炭素繊維強化炭素基材の一部を炭化珪素化処理してなる炭素繊維強化炭化珪素基材（以下、Ｃ−ＳｉＣと記載）がある。この発明の実施の形態１の主鏡１、副鏡７、これらのベースプレート及び支柱１０は、ここで上げられている素材と同じ素材で作製することが可能である。
【００２６】
この素材を用いる場合の製造方法の一例を示す。ピッチ系炭素繊維のミルドファイバー（平均長さ２００μm）とＰＡＮ系炭素繊維のミルドファイバー（平均長さ１３０μm）を重量比３：１で用意し、セルロース系バインダー水溶液中で撹拌し、均質になるように分散させ、セルロース系バインダー水溶液の水分を真空ポンプで減圧ろ過し、その後、堆積した繊維の塊を金型に移し、プレスで加圧して一定の形状に成型する。
【００２７】
次に、乾燥炉内で温度９０℃、４８時間乾燥して炭素繊維とセルロースバインダーとからなる炭素繊維成形体を得る。その後、炭素繊維成形体にフェノール樹脂を含浸し、不活性雰囲気中（真空中或いは不活性ガスとして窒素、アルゴンなど）で、１０００℃まで昇温し、含浸したフェノール樹脂、バインダーのセルロースを炭化する。続いて、不活性雰囲気中にて２０００℃で熱処理して黒鉛化する。
【００２８】
この炭素繊維／炭素ブロックを機械加工して、主鏡１、副鏡７、これらのベースプレートである主鏡ベースプレート６乃至副鏡ベースプレート９、及び支柱１０の形状にする。加工した基材を真空中１７５０℃で、金属シリコンを熔融させて加工した基材に含浸し、炭素繊維強化炭化珪素化した各部材を得る。主鏡１及び副鏡７には、さらにシリコンを蒸着、研磨して鏡面を形成する。
【００２９】
図４は、この発明の実施の形態１における反射望遠鏡で主鏡１の焦点距理ｆ１＝２１００ｍｍ、φ１０００ｍｍとし、副鏡７の焦点距離ｆ２＝−３０００ｍｍ、φ４４０ｍｍとした場合の模式図である。この図において、鏡面間隔ｄ＝１０００ｍｍとすると、反射望遠鏡全系の焦点距離は、式１からｆ＝３３１５．７８９５ｍｍとなる。
【００３０】
ここで、主鏡１、副鏡７、これらのベースプレートである主鏡ベースプレート６乃至副鏡ベースプレート９、及び支柱１０がＣ−ＳｉＣからなり、熱により副鏡７だけが膨張または伸縮すると仮定すると、Ｃ−ＳｉＣの熱膨張係数は実験から２．３×１０−６程度ある。このことから、副鏡７の焦点距離ｆ２＝−３０００．００６９ｍｍとなり、反射望遠鏡全系の焦点距離は、式１からｆ＝３３１５．７８５１ｍｍとなる。すなわち、反射望遠鏡全系の焦点距離は０．００４４ｍｍ短くなる（焦点が０．００４４ｍｍ副鏡７側に移動する）。
【００３１】
図５は、主な物質の熱膨張率を示した図である。そこで、副鏡保持部８にアルミニウムを用いた場合、図５からアルミニウムの熱膨張係数は２．３×１０−５である。上記焦点距離の変動をアルミニウムの熱膨張で補償するには、０．００４４÷（２．３×１０−５）＝１９１．１、すなわち、定常状態の基準として副鏡保持部８を１９１．１ｍｍの長さに設定すればよいことがわかる。
【００３２】
なお、この発明の実施の形態１における反射望遠鏡における副鏡保持部８は、円柱形状で外周部に１２０度間隔で３つ設けられているが、特に形状及び構造については問わない。
【００３３】
形状については、例えば、角柱形状、半円柱形状、球、その他の形状であっても、中身が詰まっていても、中空であっても、上記効果を達成できるよう設計されてさえいれば特に問題は無い。
【００３４】
構造については、例えば、外周部に９０度間隔で４つ設けられていても、６０度間隔で６つ設けられていてもよい。等間隔に設けられていなくても、仮に１本であっても２本であっても、上記効果を達成できるよう設計されてさえいれば特に問題は無い。
【００３５】
なお、この発明の実施の形態１における反射望遠鏡において、副鏡７の温度と主鏡１の温度との温度差の範囲内で、副鏡７の曲率半径の増減に対して、熱膨張伸縮部材からなる副鏡保持部８の熱膨張または熱収縮が大きすぎる場合は、過補正となり、この発明の効果を享受できない場合も想定される。
【００３６】
また、過補正となる限界については、反射望遠鏡全体の大きさ、使用する材料、副鏡７の温度と主鏡１の温度との温度差等により異なり、一義に規定することは困難である。
【００３７】
しかし、反射望遠鏡全体の大きさ、使用する材料、副鏡７の温度と主鏡１の温度との温度差等を選択すれば、上記計算式及び物質の熱膨張率等から、いわゆる当業者であれば容易に最適値を導き出すことができることは明らかである。すなわち、最適値に設定することは、設計上の問題であり、副鏡７の温度と主鏡１の温度との温度差の範囲内で、副鏡７の曲率半径の増減による焦点距離の基準値からの変化に対し、熱膨張伸縮部材からなる副鏡保持部８の熱膨張または熱収縮による焦点距離の基準値からの変化により、焦点位置の変化を相殺し、焦点Ｆの位置の変化を少なくするというような限定を加えることは、この発明の属する技術分野においては当然に可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１  主鏡、２  光軸  、３  主鏡中央開口部、４  第一レンズ、５  第二レンズ、６  主鏡ベースプレート、７  副鏡、８  副鏡保持部、９  副鏡ベースプレート、１０  支柱、１１  鏡筒開口部、１２  鏡筒、１３  光送受信装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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